差示扫描量热法在食品中的应用

李琪　吕珍珍　张娴

前言

在食品加工过程中，涉及许多跟热能相关的工艺手段，如高温灭菌、煮制、干燥及冷冻等，在这些过程中，食品的性质和结构会发生一些变化，如淀粉糊化、蛋白质变性、热熔变化、相变及流变性改变等，其中伴随的能量的变化可用热分析技术进行研究。差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是在程序控温的条件下，测定样品对热能的吸收和释放速率，并以热流率与温度或时间的关系来表示物质发生热力学变化的参数的一种热分析技术，在食品中广泛应用于比热容、结晶速率、相转变及玻璃化转变温度等的研究。差示扫描量热法可监测温度范围宽，具有較高的灵敏度和分辨率，且所需试样少，适用于多种不同形式和种类的食品样品的分析。

差示扫描量热法在蛋白质研究中的应用

不同的蛋白质具有不同的功能特性，这些性质与蛋白质的结构密切相关。在食品加工过程中蛋白质会变性，使蛋白质结构改变，而影响其功能。蛋白质从天然状态变成变性状态一般伴随着分子排列无序化以及结构从折叠状态变成展开状态，差示扫描量热法可以测量在这些状态变化过程中伴随的能量变化，进而评估加工形式对食品功能性的影响。加热是食品工业中处理大豆蛋白的常见方式，加热过程中蛋白质的天然结构改变而使其凝胶性、乳化性发生变化，通过差示扫描量热法来监测这个过程，可以分析溶剂条件、分子间相互作用及加工条件等对蛋白质功能性质的影响。

谷氨酰胺转胺酶是一种已广泛应用于食品工业加工领域的蛋白质交联剂，它是催化蛋白质分子之间酰基转移的催化剂，使各种蛋白质分子间产生共价交联，从而改善工业食品的产品性能，已成为酶制剂领域研究和生产的热点产品。谷氨酰胺转氨酶作为一种以蛋白质为结构基础的酶制剂，许多因素会导致蛋白质变性从而使其失去活性，如加热、重金属、紫外线照射等，其中温度变化是造成酶失去活性的主要原因，这极大地影响了蛋白质的生产、保存、运输和在较宽泛环境下的使用。加入外源性保护剂可以改善这一问题，如糖类、蛋白质和多肽类物质等可使活性酶蛋白分子折叠的驱动力和酶蛋白的自由能改变等方面来使蛋白质分子结构具有更高的稳定性。可以使用差示扫描量热法来研究改变这些外部条件的情况下谷氨酰胺转胺酶的热稳定性变化。

差示扫描量热法在油脂研究中的应用

在油脂加工业，劣质油掺杂造成的食品安全问题频发，气相色谱法是检测劣质油掺杂的主要方法，但存在样品前处理复杂、成本高等缺点。差示扫描量热法在检测油脂掺杂方面具有快速、便捷、准确性高等优点。使用差示扫描量热法测定椰子油中廉价棕果油的掺入可知，随着棕果油加入量的增加，吸热峰面积、峰尾温度及峰值随之减少，并呈线性关系，可以测定棕果油的加入量从而对劣质油掺入的判定提供依据。差示扫描量热法还可以测定油脂的氧化过程中的能量变化（主要表现为放热），为研究植物油的氧化稳定性提供基础。在油脂微波加热或煎炸过程中，随着加热时间的增加，油脂结晶峰向低温处转移，随之热焓值也急剧下降。油脂的氧化主要是由于氧分子与不饱和脂肪酸的结合，油脂的不饱和脂肪酸含量越高，氧化程度越高，结晶峰更加明显。值得注意的是，油中的氧化产物和部分甘三酯也会使熔程向低温方向转移，从而影响差示扫描量热法结

晶峰参数。

差示扫描量热法在碳水化合物中的应用

淀粉的糊化特性、糊化程度、已经糊化的淀粉的老化程度等均可使用差示扫描量热法来测定。淀粉糊化是指在水中加热的情况下，淀粉颗粒溶胀，随着温度的升高，淀粉分子中氢键断裂，淀粉链分离，淀粉溶液变为糊状，这是一个吸热的过程，在差示扫描量热法分析图谱上呈现吸热峰。完全糊化的淀粉在差示扫描量热法分析过程中表现为无吸热峰，故差示扫描量热法分析淀粉糊化过程中吸热峰面积的大小可估测其糊化程度。淀粉糊老化时，分子重排形成晶体结构，要破坏这种晶体结构需要外加能量。因此老化后的淀粉糊在差示扫描量热法分析中出现吸热峰，老化程度增加，吸热峰增大，从而可评估淀粉老化程度。

差示扫描量热法研究食品的玻璃化转变温度

食品在玻璃化状态下，其品质变化速率十分缓慢，所以玻璃化状态在食品色、香、味以及营养成分的保存方面具有重要意义。玻璃化状态即随着温度的升高，聚合物由玻璃态转变为橡胶态，这个转化温度即玻璃化温度Tg。差示扫描量热法的一项非常重要的用途就是研究食品的玻璃化转变温度。物质在转变为玻璃化状态时，通常伴随吸热或放热的能量变化，这为差示扫描量热法研究食品体系的玻璃化转变提供了基础。目前，谷物、淀粉等的玻璃化转变过程研究较为广泛，这些方面的研究测定可以为生产实践提供更好的加工保藏工艺参数。

结语

近年来，差示扫描量热法在蛋白质、碳水化合物、油脂的热性质测定中有了长足发展。食品的玻璃态是现代食品领域的一个很重要的研究课题，运用差示扫描量热法研究玻璃态转变现象更加方便、快捷而有效。随着差示扫描量热法在食品动力学和热力学性质等方面的研究越来越深入，在提高工业食品产品性能，优化食品加工和贮藏条件等方面的应用将会越来越广泛。